Теоретические вопросы ЛР12
30. Объясните электропроводность полупроводников. Как влияет на электропроводность освещение полупроводника светом?
Полупроводники – материалы, стоящие по величине удельного сопротивления между проводниками и диэлектриками – такие материалы, как кремний, германий, теллур и др. С ростом температуры проводимость полупроводников растёт, противоположно металлам, у которых она с ростом температуры падает.
Рассмотрим механизм протекания тока на примере кристалла германия. В обычном состоянии атомы германия содержат на своей внешней оболочке четыре валентных электрона — четыре электрона, которые слабо связаны с ядром. При этом каждый атом в кристаллической решетке германия окружен четырьмя соседними атомами. И связь здесь ковалентная, это значит, что она образуется парами валентных электронов.
Получается, что каждый из валентных электронов принадлежит одновременно двум атомам, и связи валентных электронов внутри германия с его атомами сильнее нежели в металлах. Вот почему при комнатной температуре полупроводники на несколько порядков хуже проводят ток по сравнению с металлами. А при абсолютном нуле все валентные электроны германия были бы заняты в связях и свободных электронов для обеспечения тока не осталось бы.
С ростом температуры часть валентных электронов приобретает энергию, которой становится достаточно для нарушения ковалентных связей. Так возникают свободные электроны проводимости. В областях разрыва связей образуются своеобразные вакантные места - дырки, свободные от электронов.
Эту дырку может легко занять валентный электрон из соседней пары, тогда дырка как бы сместится на место у соседнего атома. При определенной температуре в кристалле образуется некоторое количество так называемых электронно-дырочных пар.
Одновременно идет процесс рекомбинации электронов с дырками — дырка, встречаясь со свободным электроном, восстанавливает ковалентную связь между атомами в кристалле германия. Такие пары, состоящие из электрона и дырки, могут возникать в полупроводнике не только от температурного действия, но и при освещении полупроводника, то есть за счет энергии падающего на него электромагнитного излучения.
Если внешнее электрическое поле к полупроводнику не приложено, то свободные электроны и дырки участвуют в хаотичном тепловом движении. Но когда полупроводник помещается во внешнее электрическое поле, электроны и дырки начинают двигаться упорядоченно. Так рождается ток в полупроводнике.
17. Нарисуйте вольт-амперную характеристику для фототока для двух разных освещенностей. Объясните эти зависимости.
При малых напряжениях характеристика сверхлинейна из-за явлений на контактах между отдельными зернами фоточувствительного слоя и между полупроводниковым слоем и выводами фоторезистора. Если напряжение мало, оно практически полностью падает на этих контактах, так как их сопротивления в основном определяют общее сопротивление фоторезистора. Поэтому напряженность электрического поля на контактах оказывается большой. Из-за эффекта сильного поля или из-за разогрева приконтактных областей сопротивление падает с ростом напряжения, вызывая сверхлинейный рост тока. При дальнейшем увеличении напряжения сопротивление фоторезистора определяется уже объемным сопротивлением зерен фоточувствительного слоя, поэтому остается практически постоянным, что соответствует линейному участку ВАХ. При больших напряжениях ВАХ опять становится сверхлинейной из-за разогрева фоточувствительного слоя. С ростом светового потока наклон ВАХ пропорционально увеличивается до тех пор, пока изменение времени жизни носителей или разогрев полупроводника не повлияют на фотопроводимость.